اتصال نانو کامپوزیت Al/Al2O3 به روش فاز مایع گذرا

STUDENT

DEGREE

YEAR

Todays, aluminum matrix composites are widely used in many industrial applications such as aerospace, automotive, electronics due to their good properties such as high strength to weight ratio, low density, high hardness and good oxidation and wear resistance. These properties can be superior when the composites structures become nanostructure. Challenges in joining of nano structured aluminum matrix composites to produce complex shape structures limits their application. In the current study, the joining mechanism of aluminum matrix nanocomposite reinforced by nano metric alumina particles was investigated. Transient liquid phase (TLP) diffusion bonding method was used for joining and the effect of joint parameters such as temperature and time on joint properties was investigated. Al / 10 wt. % Al 2 O 3 nanocomposite samples were produce by hot pressing using nanocomposite powders produced by mechanical alloying. A thin layer of copper coating was deposited on joining surfaces of the composite by electrodeposition technique. The TLP bonding was carried out at various bonding temperature and time. In order to investigate of microstructural studies of powder nanocomposit, bulk nanocomposite components and the bonded interfaces at different joint conditions, optical microscopy was used. Evaluation of nanocomposite powder particles morphology and bulk components microstructure, as well as the joint fracture surfaces was carried out by scanning electron microscopy (SEM). In order to investigate of the aluminum crystallite size in the powder and nanocomposite bulk components after hot pressing, the X-ray diffraction pattern was used. Shear strength of the bonded joints was evaluated by means of a specially designed fixture in a tension testing machine with a loading speed of 1 mm/min. In order to determine the micro-hardness profiles across the bonded interface, micro-hardness test was carried out applying load of 50 g. Results showed that the average crystallite size of nanocomposite powder was about 52 nm and there were no significant changes in the crystallite size during hot pressing. Some micro‌cracks and porosities were found in the joint areas that were filled from ?-Al phase and fine CuAl 2 precipitated particles. By increasing the joint temperature, the filled areas were increased due to a higher amount of molten material produced during joining. Moreover, by increasing the joining temperature, the amount of CuAl 2 precipitated particles were reduced, resulting in reduction of the hardness of the ?-Al phase in the joint area. The maximum shear strength (85 percent of the base metal shear strength) was acheived at the bonding temperature and time of 580 ° C and 60 minutes, respectively. High actual contact between the liquid phase and base metal (due to porosity) and high diffusion coefficient of copper in nanostructured base metal, are the main factors for the low isothermal solidification time in the nanocomposite compared to conventional aluminum matrix composites. Investigation of fracture surfaces after shear strength tests showed shear dimples, CuAl 2 precipitated particles and porosities. At low joining temperatures, joint strength increased by increasing time. At high joining temperatures joint strength decreased by increasing time due to decreasing CuAl 2 particles in the ?-Al phase. Keywords : Aluminum matrix composites, Nanocomposite, Mechanical alloying, Transient liquid phase, Inter layer, Hot press, Microstructure, Nanostructure, Isothermal solidification.

امروزه کامپوزیت‌های زمینه آلومینیومی به‌دلیل دارا بودن خواص مطلوبی از قبیل نسبت استحکام به وزن بالا، چگالی کم، سختی زیاد و مقاومت سایشی مناسب در صنایعی چون هوافضا، خودروسازی، الکترونیک و به‌طور کلی در صنایعی که به‌نوعی نیاز به مواد سبک و در عین حال مستحکم دارند، به‌طور وسیعی کاربرد یافته‌اند. این خواص مطلوب در کامپوزیت‌های با ساختار نانو بسیار چشمگیرتر و شاخص تر است. یکی از چالش های استفاده از این مواد، اتصال آن ها می باشد که به‌دلیل عدم اطلاع کافی از آن، کاربرد این قطعات را محدود کرده است. از طرفی با‌توجه به کاربرد بالقوه‌ی این نوع نانوکامپوزیت ها و عدم اطلاعات کافی در مورد نحوه ی اتصال آن ها، می توان اظهار نمود که بررسی اتصال این مواد، زمینه ی جدیدی به شمار می آید که می تواند در به فعلیت رساندن کاربرد آن‌ها و استفاده ی بهینه از این مواد راه گشا باشد. در تحقیق حاضر فرایند اتصال نانوکامپوزیت زمینه آلومینیومی تقویت شده با ذرات نانومتری آلومینا، به‌روش فاز مایع گذرا مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفته است و تأثیر پارامترهای دما و زمان بر روی خواص اتصال بررسی شده است. برای این‌منظور ابتدا پودر نانو‌کامپوزیت Al /10 wt.% Al 2 O 3 با‌استفاده از فرایند آسیاب‌کاری مکانیکی تولید و پس از فرایند پرس‌گرم پودر حاصله، قطعات حجمی نانو‌کاموزیتی بدست آمد. در ادامه با لایه‌نشانی فلز مس به‌عنوان لایه واسطه، اتصال این قطعات به‌روش فاز مایع گذرا، در شرایط متفاوت دمایی و زمانی مورد بررسی قرار گرفت. به‌منظور بررسی‌های ریز‌ساختاری پودر نانو‌کامپوزیت، قطعات نانو‌کامپوزیت و درز اتصال در شرایط مختلف اتصالی، از میکروسکوپ نوری استفاده شد. بررسی مورفولوژی ذرات پودر و ریز‌ساختار قطعات نانو‌کامپوزیت، همچنین سطوح شکست اتصال‌ها توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی انجام گردید. جهت بررسی اندازه دانه‌های آلومینیوم زمینه در پودر نانو‌کامپوزیت و قطعات نانو‌کامپوزیت پس از پرس گرم، از الگوی پراش پرتو ایکس استفاده شد. استحکام برشی اتصال‌ها، توسط دستگاه تست فشار و با استفاده از فیکسچر مخصوصی صورت پذیرفت. در نهایت به‌منظور بررسی تغییرات سختی در حوالی درز اتصال، ریز‌سختی‌سنجی در اطراف تمام درز اتصال‌ها انجام گرفت. نتایج نشان داد که پودر نانو‌کامپوزیت حاصله اندازه دانه‌هایی در حدود 52 نانو‌متر دارد که در حین عملیات پرس‌گرم، نیز این اندازه‌ی دانه‌ ثابت مانده و رشد دانه‌ها صورت نگرفته است. در حوالی درز تمام اتصال‌ها، تخلخل‌ها و میکرو‌ترک‌هایی دیده شد که اکثراً با جامد –Al? پرشده‌اند و در درون آن‌ها ذرات پراکنده و ریز CuAl 2 قابل مشاهده است. با افزایش دمای اتصال، به‌دلیل افزایش حجم مذاب ایجاد شده در درز، سطح وسیع‌تری از درز اتصال و تخلخل‌ها توسط مذاب خیس شده و یا از مذاب پر می‌گردد، از‌طرفی ریزساختار اتصال‌های انجام شده در دماهای بالاتر حاوی ذرات کمتری از CuAl 2 نسبت به ریزساختار اتصال‌های انجام شده در دماهای پایین‌تر می‌باشد که همین عامل نیز موجب کاهش سختی فاز Al- ? با افزایش دمای اتصال شده است. در دمای اتصال 580 درجه‌ی سانتی‌گراد، با افزایش زمان اتصال استحکام اتصال‌ها افزایش می‌یابد طوری که حداکثر استحکام برشی در همین دما و زمان اتصال 60 دقیقه و در‌حدود 85 در‌صد استحکام برشی فلز پایه بدست آمده است. افزایش سطح تماس واقعی مذاب با فلز پایه (‌به‌خاطر تخلخل‌ها) و بالا بودن ضریب نفوذ مس در فلز پایه‌ی نانو‌ساختار، عوامل اصلی پایین بودن زمان لازم برای انجماد هم‌دما، در این نانو‌کامپوزیت در مقایسه با دیگر کامپوزیت‌های زمینه آلومینیومی بوده است. در تمامی سطوح شکست بررسی شده، دیمپل‌های برشی مشهود است که بعضاً در انتهای آن‌هاتخلخل‌ها و ذرات رسوبی CuAl 2 دیده می‌شود. در دماهای اتصال پایین با افزایش زمان، استحکام اتصالات افزایش یافته ولی در دماهای اتصال بالاتر که انجماد هم‌دما کامل شده افزایش زمان موجب کاهش مقدار مس و بنابراین کاهش ذرات رسوبی CuAl 2 در زمینه‌ی نرم -Al? شده و در نتیجه استحکام اتصال‌ها کاهش می‌یابد. کلمات کلیدی: کامپوزیت‌های زمینه آلومینیومی، نانو‌کامپوزیت، آسیاب‌کاری مکانیکی، فاز مایع گذرا، لایه واسطه، پرس‌گرم، ریز‌ساختار، نانو‌ساختار، انجماد هم‌دما.